6. halocarbon 및 CFCs
halocarbon (할로겐화 탄화수소) 냉매는 주로 냉장고나 에어컨 등에 사용되는 물질로써 그 중에서 가장 유명한 것은 아마도 오존층 파괴와 연관되어 알려진 프레온 (freons) 가스일 것입니다. 프레온 가스는 오존층 파괴의 주범이랄 수 있는 CFC (Chlorofluorocarbon) 의 가장 대표적인 제품으로 이를 상품화한 듀퐁사에 의해 프레온이란 이름이 붙었습니다. 실제로는 하나의 화합물이 아니라 화합물의 집단을 설명한 것입니다.
이 화학물질은 이름처럼 염소 (Cl), 불소 (F), 탄소 (C) 가 모인 것입니다. 이 그룹은 좀더 큰 그룹이랄 수 있는 할로겐화 탄화수소에 서브 그룹이라고 할 수 있는데 할로겐화 탄화수소는 적어도 한개 이상의 탄소 원자에 한개 이상의 할로겐 원소 (주기율표에서 17 족에 속하는 원소로 염소 (Cl), 불소 (F), 브롬 (Br), 요오드 (I) 등이다) 가 있는 분자를 의미합니다.
할로겐화 탄화수소 중 사염화탄소 (CCl4) 는 이미 19세기 부터 소화기 등에 사용되었습니다. 그러나 이 물질은 실제로 유독성 물질입니다. 그리고 인체에도 유해한 것은 물론 오존층 파괴와 온실 효과를 일으키는 물질이기도 합니다. 아직까지는 이런 저런 곳에서 사용이 되고 있는 물질이지만 과거 보다는 대체물로 인해 사용량이 감소하고 있는 물질이기도 합니다.
한편 이렇게 독성이 있는 물질을 대신에 보다 안전한 냉매 및 소화기용 충전제가 연구되었는데 그것들이 프레온 입니다. 이것들은 메탄 및 에탄을 원료로 만들어지는데 보통 CFC (chlorofluorocarbon) 이라고 부르며 실제로는 여러개의 화합물의 집합을 나타내기 때문에 CFCs 라고 부릅니다. 그리고 그중에서도 흔히 쓰이는 그룹으로 HCFCs (hydrochlorofluorocarbons ) 가 존재합니다.
(주요 CFCs 들 출처 : wiki )
최초 이들의 대한 연구는 독성이 있는 냉매인 CCl4 를 대체하기 위해 1890 년대에 벨기에의 과학자 프레데릭 스와르츠 ( Frédéric Swarts ) 가 염소의 일부를 불소로 대체한 CFC-11 (CCl3F), CFC-12 (CCl2F2) 를 합성하면서 시작됩니다.
그 이후 토마스 미드글레이 (Thomas Midgley, Jr.) 에 의해 1920 년대 CFCs 에 대한 연구가 더 진전을 보게 되는데 그는 나름대로 냉매로 쓰이는 위험한 독설 물질인 암모니아 (NH3), 클로르메탄 (CH3Cl), 이산화황 (SO2) 으로 부터 사람들을 구하기 위해 이들을 개발하는데 주력했습니다. 당시 대도시화가 진행되면서 냉장고는 없어서는 안될 물품이 되는데 단지 가정에서 쓰는 것뿐만이 아니라 음식물을 장기간 보관하기 위해서 반드시 냉장고가 필요했기 때문에 사실 이는 식량 문제와도 연관이 있었습니다.
만약 각종 음식물을 장기간 보관할 수 있는 냉장 기기의 발전이 없었다면 곡물류를 제외하고 다른 식량 확보에 상당한 문제가 생겼을 것입니다. 신대륙의 쇠고기가 유럽으로 건너올 수 있었던 것도 냉장기기의 발전 덕이었습니다. 또 우리가 슈퍼에서 다양한 음식을 구매하고 그것을 집에 저장할 수 있는 것 역시 냉장기술의 발전과 연관이 깊습니다.
따라서 현대 문명에서 냉장고는 절대 사치품이 아니라 절대적으로 필요한 물건이었습니다. 그런데 당시 냉매들은 극히 위험해서 항상 사고의 위험이 있었습니다. 따라서 이를 안전한 냉매로 바꾸는 일은 단순히 돈벌이를 넘어서는 숭고한 사명과도 같은 일이었습니다. 그래서 무독성의 우수한 성능의 냉매 개발이 매우 중요했습니다.
1920 년대 말 CFCs 의 상업적 대량 생산 기술을 개발에 성공한 토마스 미드글레이는 1930 년에 자신이 만든 가스의 안전성을 보여주기 위해 CFC 가스를 흡입한 다음 촛불을 끄는 퍼포먼스를 보였습니다. 이렇게 많은 사람을 안전하게 구하기 위해 만든 물질이 나중에 역설적으로 인류와 생태계를 위협하게 된 것은 아무래도 20세기의 가장 큰 역설입니다.
(CFCs, 가장 대표적 프레온 가스인 CCl2F2 및 테트라플로오르에탄 출처 :http://en.wikipedia.org/wiki/File:CFCs.svg )
CFCs 를 비롯한 다양한 할로겐화 탄화수소는 이후 소화기 및 냉매, 발포제등으로 2차 대전 후 널리 사용되게 됩니다. 단순히 생각해 봐도 집에 냉장고, 에어컨이 필수 제품이 되고 더 나아가 회사, 공장 등에서 사용되는 냉각기기들도 꽤 되기 때문에 수요가 넘치게 되죠. 그러나 이를 대량 생산한 듀퐁사의 CFCs 브랜드 네임인 프레온은 사실 이 당시엔 그다지 유명세를 타지는 않았습니다. 프레온이 유명세를 탄 것은 오히려 그 유용한 용도가 아니라 오존층 파괴의 주범으로 밝혀지면서 입니다.
7. 오존 사이클
앞서 오존층이 생기는 원리 및 자외선을 차단하는 원리에 대해서 설명한 바 있습니다. (제일 처음 챕터 참조) 오존 (O3) 은 자외선을 받아 산소 (O2) 와 자유 산소 원자 (O) 사에에서 끊임 없이 분해 합성되면서 그 과정에서 자외선을 결국 화학적 반응 과정을 통해 열에너지로 바꾸게 됩니다.
성층권에서 오존은 O + O3 -> 2 O2 의 과정을 거쳐 결국 산소로 사라지게 됩니다. 사실 이와 같은 과정은 당연히 자연 상태에서도 일어나게 됩니다. 일반적으로는 성층권에서 오존은 생성과 분해를 반복하면서 어느 정도 일정 농도를 유지하게 됩니다. 문제는 생성 보다 산소로 사라지는 반응이 더 빨라지게 되면 오존의 농도가 낮아져 지상까지 자외선이 상당부분 도달하게 되는 것입니다.
이 반응을 빠르게 만들 수 있는 물질은 바로 자유 라디칼 촉매 (free radical catalysts) 입니다. 이 중에서도 중요한 것들이 바로 hydroxyl radical (OH·), nitric oxide (NO·), 원자 염소 이온 (Cl·), 원자 브롬 이온 (Br·) 입니다. 이것들은 자연적이나 인공적으로 모두 존재하고 있습니다. 자연적으로 존재하는 것들 가운데 대부분은 hydroxyl radical (OH·)과 nitric oxide (NO·) 입니다.
그런데 최근에 인간이 만든 인공 물질에 의해 성층권내 염소 및 브롬의 농도가 급격히 높아지고 있습니다. 이중에서도 특별히 아주 안정적으로 장기간 존재할 수 있으면서 꾸준히 오존을 분해하는 역활을 하는 것이 바로 CFCs 입니다. 이들은
CFCl3 + 전자기 방사선 (electromagnetic radiation) -> CFCl2 + Cl
같은 과정을 통해 주로 염소 원자 (일부는 브롬) 를 성층권내 방출하게 되고 이후
Cl + O3 -> CIO + O2
CIO + O3 -> Cl + 2 O2
의 과정을 반복하면서 O3 를 O2 로 바꾸게 됩니다. 따라서 아주 소량의 염소가 막대한 양의 오존을 산소로 바꿀 수 있습니다. 1개의 염소 원자가 성층권에서 10만개의 오존 원자와 반응할 수 있습니다. 사실 이것을 포함한 모든 반응에서 브롬 원자가 더 효율적으로 오존을 산소로 바꾸지만 성층권내의 농도에서 염소가 압도적으로 높기 때문에 주로 할로겐 원소 가운데 염소가 가장 큰 문제가 됩니다.
사실 이런 사이클은 자연 상태에서도 가능합니다. HCl 이나 CH3Cl 같은 물질이 그런 역활을 합니다. 하지만 이런 자연 물질이 오존 파괴에 기여하는 바는 아주 작고 대부분 현재 일어나는 오존 파괴의 주된 원인은 인간이 만든 CFCs 때문입니다.
1970 년대에 이를 밝혀낸 이는 캘리포니아 대학의 과학자 프랭크 셔우드 롤랜드 (Frank Sherwood Rowland) 와 그의 박사후 과정 연구원인 마리오 몰리나 (Mario J. Molina) 였습니다. 나중에 롤랜드 - 몰리나 가설로 알려진 이 이론은 NO 역시 오존층 파괴의 원인이 될 수 있다는 연구 결과를 발표한 폴 크루젠 (Paul Crutzen) 과 함께 학계에서 인정받았고 이들은 결국 1995 년 노벨 화학상을 받게 되었습니다.
참고로 염소에 비해 그 기여도는 적지만 NO 역시 오존층 파괴를 일으킬 수 있으며 이것은 자연적으로 생성되는 것 이외에도 비료에 사용되는 질소 비료도 역시 해당되는 이야기입니다.
그리고 이들의 연구는 실제 성층권내 오존 농도 감소가 목격되면서 더 중요한 의미를 지닙니다.
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